基于CDMA技術(shù)的光纖光柵傳感系統(tǒng)分析研究

        0 引言

        作為智能傳感元件，光纖光柵傳感器用于監(jiān)測系統(tǒng)有著良好的效果。隨著光纖光柵傳感技術(shù)在大型橋梁、建筑結(jié)構(gòu)、健康監(jiān)測(SHM)等工程中的應(yīng)用，越來越需要具有大容量、抗干擾性強，靈敏度高而成本較低的光纖光柵傳感系統(tǒng)。使用復(fù)用技術(shù)是實現(xiàn)光纖光柵傳感系統(tǒng)大容量的基本方法。

        近十年來，復(fù)用技術(shù)已經(jīng)在大容量的光纖傳感領(lǐng)域被研究和應(yīng)用，特別是對FBG復(fù)用技術(shù)的研究受到廣泛關(guān)注。常用的復(fù)用方法有波分復(fù)用(Wavelength division nlultipiexing，WDM)、時分復(fù)用(time division multiplexing，TDM)及頻分復(fù)用(frequeney division multi Plxenig，F(xiàn)DM)。WDM技術(shù)受光源帶寬和待測物理參量動態(tài)范圍等因素的制約，在單光纖上復(fù)用FBG是有限的，基于ASE寬帶光源的WDM光纖

        Bragg傳感系統(tǒng)的容量一般為15～20個?；赥DM技術(shù)的系統(tǒng)中。光源調(diào)制出一系列間隔時間相等的光脈沖，同一個脈沖到達(dá)不同光柵信號返回時間都不同，可用光開關(guān)等元件將信號在時域上分離開來。但是所有復(fù)用的光柵都是使用同一脈沖光源，光源的強度和光柵及光纖傳輸?shù)乃p決定了復(fù)用傳感器的數(shù)量小于10。

        基于FDM技術(shù)的光源調(diào)制出連續(xù)的脈沖波，脈沖的頻率隨時間往復(fù)變化，不同位置的光柵信號返回的時刻會對應(yīng)不同的頻率，復(fù)用信號在頻域上被分離。由于FMCW技術(shù)的占空比要比TDM技術(shù)的大，進(jìn)入傳感光柵陣列的光強更大，所以其復(fù)用的光柵數(shù)目可達(dá)到幾十個。

        為了進(jìn)一步提高單光纖上FBG的復(fù)用能力，必須設(shè)法提高FBG網(wǎng)絡(luò)的頻帶利用率。因此，基于CDMA技術(shù)的光纖光柵傳感系統(tǒng)引起了人們極大的興趣?；?A href="http://3xchallenge.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=CDMA&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">CDMA技術(shù)的光纖光柵傳感系統(tǒng)從本質(zhì)上來說是波分復(fù)用技術(shù)和碼分多址技術(shù)的有機結(jié)合，因此也被稱為CDMA DWDM FBG系統(tǒng)。CDMA技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信領(lǐng)域，但在應(yīng)用于FBG傳感系統(tǒng)則剛剛開始。

        在FBG傳感系統(tǒng)中使用CDMA技術(shù)的特殊優(yōu)點在于：由于使用相關(guān)技術(shù)從傳感器群返回的復(fù)合信號中提取特殊傳感器的信號，因此允許傳感器反射信號的頻譜相互重疊，甚至完全相同，這樣就使傳感器之間的波長間隔比普通WDM系統(tǒng)小得多，從而使單光纖的復(fù)用能力大大增強，實現(xiàn)了密集波分復(fù)用。此外，由于CDMA技術(shù)和相關(guān)技術(shù)的共同作用，可以有效地抑制信道噪聲和各傳感器的串音，從而極大地提高信噪比。因此可實現(xiàn)大容量、抗干擾性強的光纖光柵傳感系統(tǒng)。若結(jié)合計算機及相應(yīng)軟件強大的數(shù)據(jù)處理能力，具有潛在的低成本特性。

        1 系統(tǒng)原理與關(guān)鍵技術(shù)

        1.1 系統(tǒng)工作原理

        圖1是基于CDMA技術(shù)的光纖Bragg光柵傳感系統(tǒng)原理圖。光源的輸出受偽隨機序列碼(PRBS)的調(diào)制，F(xiàn)BG傳感陣列對一個給定的PRBS響應(yīng)與延遲一定時間的同一個PRBS進(jìn)行相關(guān)運算，其結(jié)果經(jīng)低通濾波器濾波后即可得到某一個特定傳感器上返回的波長編碼信號。經(jīng)過預(yù)先設(shè)置傳感器位置，再經(jīng)調(diào)制后，光源輸出信號到達(dá)某一傳感器并返回到探測器所需的時間是確定的，因此通過適當(dāng)選擇送到相關(guān)器的PRBS的延遲時間，就可確定相關(guān)運算結(jié)果來自于哪個傳感器，即可在獲得傳感信息的同時實現(xiàn)尋址。

        1.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

        根據(jù)系統(tǒng)原理對其進(jìn)行分析，可以得到實現(xiàn)系統(tǒng)包含的幾個關(guān)鍵技術(shù)。

        (1)光源調(diào)制技術(shù)。光源調(diào)制技術(shù)主要包括2個方面：一是使用哪種偽隨機碼(PRBS)進(jìn)行調(diào)制;二是如何調(diào)制。對于擴頻碼的選擇，在傳感系統(tǒng)中不是一個難點。這是因為目前實用系統(tǒng)的傳感容量一般在幾十到幾百，上千或更多的比較少，考慮到基于CDMA技術(shù)的光纖光柵傳感系統(tǒng)還可以結(jié)合其他復(fù)用技術(shù)(如SDM技術(shù))來擴容，一般選擇具有良好自相關(guān)和互相關(guān)特性的m序列即可實現(xiàn)系統(tǒng)容量的要求。如對于8位m序列，理論上其單光纖上可實現(xiàn)的傳感容量即為255。當(dāng)需要更大容量時，可擴展m序列，也可通過增加傳感通道來實現(xiàn)。

        如何調(diào)制光源，可根據(jù)光源的不同來分析。對于窄線寬帶光源，一般可用脈沖調(diào)制，即在用PRBS來調(diào)制每一個光脈沖。對于這樣的光源，其系統(tǒng)特點是高功率，傳感光柵中心波長相對集中，所以更接近CDMA技術(shù)特性——傳感光柵之間的光譜可有重疊，甚至完全重疊，在接收端使用相關(guān)技術(shù)來區(qū)分傳感光柵。對于寬帶光源，一般采用PRBS驅(qū)動信號發(fā)生器經(jīng)外調(diào)制接口加載到光源上，對其實現(xiàn)連續(xù)調(diào)制，使光譜在時域上進(jìn)行調(diào)制。該系統(tǒng)特點是結(jié)合WDM和CDMA實現(xiàn)DWDM系統(tǒng)，可以更好地利用光源的大帶寬和CDMA技術(shù)來實現(xiàn)大容量系統(tǒng)。

        (2)功率控制技術(shù)。雖然相對于CDMA通信系統(tǒng)而言，光纖光柵傳感系統(tǒng)的容量、傳輸距離等是不值一提的，但這并不意味著光纖光柵系統(tǒng)不需要進(jìn)行功率控制。這是因為：一方面，F(xiàn)BG的反射特性會使FBG陣列中在其后面的FBG功率減少，尤其如果FBG陣列中FNG之間的中心波長間隔不大時，當(dāng)兩FBG頻譜有重疊時，更會使后面的FBG反射信號功率減少，從而使其在探測器之后的相關(guān)處理受到前面強的FBG反射信號的影響，最終會影響到其解擴的準(zhǔn)確性;另一方面，根據(jù)CDMA通信系統(tǒng)容量的理論，CDMA系統(tǒng)是自干擾系統(tǒng)，限制CDMA系統(tǒng)容量的因素是總干擾。當(dāng)達(dá)到以下條件時，系統(tǒng)的容量會達(dá)到最大，即在可接受的信號質(zhì)量下，功率最小。這主要與探測器的靈敏度、響應(yīng)度等有關(guān)。基站從各移動臺接收到的功率相同，因此在質(zhì)量一定的條件下要盡可能實現(xiàn)多點監(jiān)測，也應(yīng)該對光纖光柵傳感系統(tǒng)進(jìn)行功率控制，使各個傳感光柵的反射功率在探測器(或相關(guān)處理)處盡可能相同，從而減少弱反射信號被強反射信號干擾現(xiàn)象的發(fā)生。

        在基于CDMA技術(shù)的光纖光柵系統(tǒng)中，要實現(xiàn)功率控制，應(yīng)從光源功率、光器件插入損耗、光柵的反射率、光柵的中心波長及光傳輸損耗等方面綜合考慮。先通過理論分析，盡可能選擇性能優(yōu)良的光器件，然后結(jié)合試驗進(jìn)一步通過調(diào)整傳感光柵中FBG的前后位置和調(diào)整光源功率的大小，選擇耦合比合適的光耦合器等來實現(xiàn)系統(tǒng)大容量與優(yōu)良性能的統(tǒng)一。

        2 定時同步技術(shù)

        前面的引言及系統(tǒng)原理已提到基于CDMA技術(shù)的光纖光柵傳感系統(tǒng)是利用相關(guān)技術(shù)來實現(xiàn)傳感器的定位即尋址的。然而PRBS序列的自相關(guān)特性，即兩相對移動的相同序列只有在某一時間點(或某一小時間段內(nèi))相關(guān)值達(dá)到最大(較大)，而在此外的時間段相關(guān)值很小。要準(zhǔn)確的尋址，其關(guān)鍵點就在于實現(xiàn)在精確時間延遲后給相應(yīng)解擴通道送PRBS，以實現(xiàn)同步解擴。此項技術(shù)關(guān)系到整個系統(tǒng)能否成功實現(xiàn)，因此是系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)重點。獲得定時精度的最簡單方式是使用一個數(shù)據(jù)采集卡主板作為精確計時裝置。

        3 相關(guān)處理技術(shù)

        相關(guān)處理技術(shù)是如何將精確延遲的同一PRBS序列與接收到的信號進(jìn)行相關(guān)處理，根據(jù)其相關(guān)值的大小來準(zhǔn)確判斷是哪一個傳感光柵的信號。

        在此，對信號進(jìn)行差分檢測，如圖2所示。圖中X表示序列自相關(guān)解碼器;X表示序列與其共軛序列相關(guān)解碼器。對于m序列調(diào)制信號，在一個周期內(nèi)對確定的延遲時間，X為最大值(歸一化后為1)時，X將取到最小值，這樣在判決端很容易判別信號。

        4 解調(diào)技術(shù)

        設(shè)計該系統(tǒng)的最終目標(biāo)是對系統(tǒng)進(jìn)行解調(diào)，即采用某種解調(diào)方法得到傳感光柵中心波長的偏移值，從而推算出待測物理量的參數(shù)變化。如何有效地解調(diào)是光纖光柵傳感系統(tǒng)的研究重點和難點，也是目前的研究熱點。已有許多解調(diào)方法，如干涉法、濾波法、參量轉(zhuǎn)換法等。

        這里主要討論的是基于CDMA技術(shù)的光纖光柵傳感系統(tǒng)應(yīng)采用哪一種解調(diào)方法來解調(diào)。在此考慮的主要因素有：

        (1)該系統(tǒng)是為實現(xiàn)大容量傳感而研究設(shè)計的，因此該解調(diào)方法應(yīng)適于大容量解調(diào)。

        (2)系統(tǒng)中采用CDMA技術(shù)進(jìn)行尋址，即運用精確定時、相關(guān)處理實現(xiàn)尋址。因此如在尋址前對接收信號進(jìn)行掃描解調(diào)(如F-P掃描解調(diào)法)，應(yīng)考慮它對定時的影響。

        (3)由于采用延遲碼片的方法來區(qū)分各個傳感光柵，而碼片延遲時間一般很短(一般在ms級)，尤其在大容量時，如要求延遲時間僅為1個碼片時。這就要求采用的解調(diào)方法能快速解調(diào)，其解調(diào)處理速度大于輸入信號的更新速度，即實現(xiàn)實時解調(diào);或在該時間間隔內(nèi)將傳感光柵的數(shù)據(jù)采集并儲存，只在需要解調(diào)時對其進(jìn)行解調(diào)，即非實時解調(diào)。

        此外，完善光源、光柵器件以及光耦合器等無源器件的制造技術(shù)和光纖光柵的封裝技術(shù)等也是完善該傳感系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)。

        5 實驗研究與結(jié)果分析

        5.1 實驗研究情況

        根據(jù)上面的理論分析，對系統(tǒng)進(jìn)行了初步的試驗研究。實驗方案如圖3所示。

        實驗中，使用TMS320LF2407DSP開發(fā)板產(chǎn)生偽隨機3階7位、周期為0.7 ms的m序列，經(jīng)緩沖放大后調(diào)制ASE寬帶光源產(chǎn)生m序列光信號，并進(jìn)入傳感網(wǎng)絡(luò)。傳感網(wǎng)絡(luò)由1只光纖光柵應(yīng)力傳感器(中心波長為1550.84 nm，3dB帶寬為0.217nm)及1只裸光纖光柵(中心為1 550.12 nm，3 dB帶寬為O.302 nm)串行搭建。響應(yīng)度為0.9 A/W的光電探測器將傳感網(wǎng)絡(luò)光信號轉(zhuǎn)換成電信號后再將其分兩路送入12位精度的數(shù)據(jù)采集卡，同時DSP板所產(chǎn)生的m序列也由一個通道送入采集卡。從不同位置的光纖光柵反射回來的光信號因其傳輸距離不一樣而產(chǎn)生不同時間的延遲，利用m序列優(yōu)良的自相關(guān)和移位相關(guān)特性，通過控制接收端m序列的發(fā)送時間就可以對光柵的地址進(jìn)行識別。

        實驗中，將采集到的信號在虛擬儀器軟件LabVIEW中進(jìn)行處理。具體處理如下所述：采集卡的3個通道中，第1，2兩個通道采集DSP通過緩沖驅(qū)動電路后的信號(其中一路信號需要將其延時);第3個通道采集送光電探測器探測到的信號。將3個通道的信號在同步節(jié)點下送入系統(tǒng)程序，程序后面板程序如圖4所示。

        在第1個光纖光柵傳感器直接接入光路并考慮光速很大的情況下，其延時值以0處理。由于沒有光纖延時線，系統(tǒng)主要解調(diào)這個傳感器。第2個光柵與第一個傳感器之間連接了22 m的光纖，其延時值為0.15 ms(實際處理中考慮了硬件延時，設(shè)置為2個碼片的延時)。

        根據(jù)系統(tǒng)原理，當(dāng)信道的相應(yīng)延時來到時，有尖銳的自相關(guān)出現(xiàn)，如圖5所示。對于其他通道，相同時刻的相關(guān)值很小。由此可以準(zhǔn)確地對相應(yīng)的傳感光柵進(jìn)行定位，即尋址。

        5.2 實驗結(jié)果分析

        實驗中，利用LabVIEW對采集信號進(jìn)行處理，實現(xiàn)了光纖光柵傳感系統(tǒng)基于CDMA的準(zhǔn)確尋址，但仍有一些問題有待解決：

        (1)實驗中，采用的FBG的反射率均高達(dá)99%，所以不可能實現(xiàn)頻譜重疊時的尋址。進(jìn)一步的實驗重點是應(yīng)使用反射率較低的FBGS來檢驗在頻譜重疊時其相關(guān)尋址特性;頻譜重疊時，反射率多大時，得到的尋址特性最好，以及頻譜重疊時能實現(xiàn)尋址的光柵反射率的上限和下限。

        (2)實驗雖實現(xiàn)了基于CDMA的尋址，但系統(tǒng)的最終目的——解調(diào)還未實現(xiàn)。文獻(xiàn)給出使用可調(diào)諧激光器掃描來實現(xiàn)解調(diào);文獻(xiàn)給出使用匹配濾波法實現(xiàn)解調(diào)。但是，可調(diào)諧激光器的掃描速度慢、滯后性以及價格高，使其難以實用化;匹配濾波法不便于大容量解調(diào)，因而不是該系統(tǒng)理想的解調(diào)方式。因此，尋找一個適于該系統(tǒng)的解調(diào)方法(算法)是系統(tǒng)研究的重點。

        利用當(dāng)前計算機及相應(yīng)軟件的高速數(shù)據(jù)處理能力，并基于相關(guān)技術(shù)來實現(xiàn)解調(diào)可以作為一個發(fā)展思路。

        6 結(jié)語

        對大容量光纖光柵系統(tǒng)常用的復(fù)用技術(shù)(WDM技術(shù)、TDM技術(shù)、FDM技術(shù))中傳感容量、CDMA技術(shù)的特點做了介紹。闡述了基于CDMA技術(shù)的光纖Bragg光柵傳感系統(tǒng)的原理及其關(guān)鍵技術(shù)，并對該系統(tǒng)做了初步實驗研究，實現(xiàn)了基于CDMA技術(shù)的準(zhǔn)確尋址。通過總結(jié)分析可以看出，大容量、抗干擾性強以及具有潛在低成本特性的基于CDMA技術(shù)的光纖光柵傳感系統(tǒng)有著廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用前景。雖然目前仍有不少關(guān)鍵技術(shù)有待解決和完善，但通過引鑒(移植)目前及發(fā)展的CDMA通信技術(shù)中已成熟的技術(shù)與光器件技術(shù)結(jié)合，運用強大的虛擬儀器軟件LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，必要時可結(jié)合Matlab工具來實現(xiàn)性能優(yōu)、界面好的解調(diào)系統(tǒng)，相信基于CDMA技術(shù)的光纖Bragg光柵傳感系統(tǒng)將在未來的傳感領(lǐng)域占有一席之地。